智輔控（廈門(mén)）自控系統有限公司

近年來(lái)，大數據、云計算、私有云等詞匯不斷被大家所關(guān)注，互聯(lián)網(wǎng)數據中心（Internet Data Center，簡(jiǎn)稱(chēng)IDC）也逐漸被大家所認識。數據中心為互聯(lián)網(wǎng)提供了必需的數據處理和信息存儲等功能，實(shí)現海量數據的存放、處理和傳輸。數據中心的基礎設施是為保障數據中心核心設備安全、穩定運行的必要條件，提供數據中心運行所需要的供電、制冷、安全及維護等各方面的要求。

1 數據中心空調制冷方式的發(fā)展概述

數據中心空調系統的作用是移除數據中心主要設備和配套設備運行時(shí)發(fā)出的熱量，調節機房?jì)瓤諝獾臏囟?、濕度、潔凈度等要求，保證機房?jì)仍O備穩定運行。所以數據中心空調制冷方式的發(fā)展實(shí)際上是隨著(zhù)數據中心IT 設備的發(fā)展和數據中心規模發(fā)展而改變。

一方面，數據中心的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò )交換設備的發(fā)熱量很大，隨著(zhù)CPU運算速度的提升，服務(wù)器的功率快速攀升，在過(guò)去的幾年內，其功率密度增長(cháng)了數倍，這就意味著(zhù)服務(wù)器的散熱量提高了數倍。同時(shí)，各種計算機的集成度也在提高，在同等計算能力下，服務(wù)器的體積在變小，耗電比在增加。如果采用更高密度的服務(wù)器，如刀片式服務(wù)器，單機柜的功耗還將大幅度提高至15kW 左右。

另一方面，隨著(zhù)因特網(wǎng)的日益普及，信息化的迅猛發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò )購物等新業(yè)務(wù)的需求，數據中心逐漸由分散向集中、小型向大型、自建型向托管型發(fā)展，大中型數據中心在全國大城市大量涌現。

隨著(zhù)機房負荷越來(lái)越大，數據中心的功率密度越來(lái)越高，機房規模也越來(lái)越大。數據中心的空調方式也在逐漸變化。國內數據中心以前比較常見(jiàn)的空調方式主要為直接膨脹式風(fēng)冷空調系統（圖1）。直接膨脹式風(fēng)冷空調系統適用于小型數據中心，系統室內機和室外機組成。無(wú)需水泵、冷卻塔等，初投資較低，安裝極為方便。由于建筑空間的限制，常常沒(méi)有足夠的空間放置室外冷凝器，冷凝器排列過(guò)于緊密，造成散熱效果差，空調系統效率較低（圖2）。于是，數據中心的空調方式逐漸發(fā)展為冷凍水型精密空調，由冷卻設備、制冷主機、水泵、管路、精密空調和控制系統組成（圖3）。系統較為復雜，需要專(zhuān)門(mén)的制冷機房，初投資較高，但是機組能效比高，單臺精密空調可提供的制冷量大。冷凍水型精密空調系統適用于中大型數據中心。

圖1 直接膨脹式風(fēng)冷空調系統

圖2 直接膨脹式風(fēng)冷空調室外機

圖3 冷凍水型精密空調系統

2 綠色數據中心中空調的節能措施

2.1 空調系統變頻節能

空調系統中的水泵耗電量可占到空調系統耗電量的15%~30%，用變頻調速的方法來(lái)減少水泵流量的節能效果十分顯著(zhù)（圖4），當所需流量減少，水泵轉速降低時(shí)，其電動(dòng)機的所需功率理論上按轉速的三次方下降。

如選用具有風(fēng)機調速功能的機房專(zhuān)用空調時(shí)，也可以根據所需冷負荷的大小，調節風(fēng)機的轉速，從而節省機房空調消耗的電能。

一般機房精密空調按N+1 或N+2 冗余配置，若采用具有風(fēng)機調速功能的精密空調時(shí)，也可以將原設計用作備份的空調也投入運行，降低精密空調風(fēng)機的轉速，從而減少風(fēng)機的耗電。

圖4  水泵變頻示意圖

2.2 利用冬季室外冷源

數據中心主要熱源是IT 設備及附屬設備的散熱，建筑圍護結構得熱在數據中心的總冷負荷中所占的比例不到2%，因此可以認為數據中心的冷負荷在一年四季中是基本穩定的。數據中心需要全年制冷，而冬季大部分時(shí)間室外的環(huán)境溫度都是比數據中心要求的24℃要低，那么，如何能夠把室外的冷源利用起來(lái)為數據中心制冷，而關(guān)閉常規的制冷機或精密空調系統，將會(huì )取得可觀(guān)的能耗和運行效率。目前數據中心可以通過(guò)以下方式利用冬季室外冷源：水冷自然冷卻和風(fēng)冷自然冷卻（圖5）。

水冷自然冷卻節能技術(shù)是目前大型數據中心常用的節能技術(shù)。它是在室外溫度較低時(shí)，冷卻塔可提供較低溫度的冷卻水，此時(shí)關(guān)閉冷水機組，而使用板式換熱器換熱提供所需冷凍水，供精密空調使用。這期間稱(chēng)為完全自然冷卻階段；在過(guò)渡季節，用較低溫度的冷卻水先進(jìn)板式換熱器，與冷凍水回水換熱，先降低冷凍水溫度1~2℃，再進(jìn)冷水機組，將冷凍水降低到設計供水溫度，此時(shí)冷水機組處于部分負荷運行，運行能耗較低。這期間稱(chēng)為部分自然冷卻階段。

2.3 利用室外新風(fēng)制冷

當室外干球溫度小于等于空調送風(fēng)溫度時(shí)，可以使用新風(fēng)制冷。直接引入室外的新風(fēng)，或通過(guò)電動(dòng)閥控制新風(fēng)與回風(fēng)的混合比，經(jīng)過(guò)中效過(guò)濾、加濕后送入數據機房（圖6）。這種利用室外自然冷源代替壓縮機制冷的方式，也能節約大量電力能源。

圖6 室外新風(fēng)利用示意圖

圖7  Kyoto 轉輪

Kyoto 轉輪也是一種熱回收式新風(fēng)冷卻裝置（圖7），這種裝置是將數據中心的熱量送到由馬達轉動(dòng)的輪子一側，與室外新風(fēng)在高表面積的波紋鋁裝置處進(jìn)行熱傳導，使空氣得到冷卻，再將冷卻后的空調送入機房?jì)取?/span>

Facebook 在俄勒岡州建造了一座采用新風(fēng)制冷的數據中心，這座數據中心充分利用當地的自然環(huán)境，一年內大部分時(shí)間只需引入室外新風(fēng)就足以降低數據中心的溫度，制冷原理圖見(jiàn)圖8。Facebook 數據中心內部照片見(jiàn)圖9、10、11。

圖8  Facebook數據中心制冷系統原理圖

圖9  Facebook 數據中心空氣過(guò)濾室

圖10  Facebook 數據中心噴霧室

目前利用室外新風(fēng)的設備和形式多種多樣，文中不一一列舉。

利用室外新風(fēng)的制冷方式不僅與空調方案有關(guān)，與數據中心的建筑也有關(guān)。建筑的格局需要根據新風(fēng)制冷設備的布置進(jìn)行規劃，需要占據一定的空間，對層高和外立面也有一定要求。國外有較多的應用案例，但國內很多數據中心都是在既有建筑的基礎上改造而成，在設計之初，沒(méi)有充分考慮數據中心節能需求，因此新風(fēng)制冷并沒(méi)有得到廣泛應用。

圖11   Facebook 數據中心風(fēng)扇墻

3 數據中心節能技術(shù)應用分析

下面以北京某數據中心為例，從能效和運行費用等方面看水冷自然冷卻技術(shù)對數據中心的影響。經(jīng)計算，該數據中心的機柜區面積8000m²，IT 負荷為10506kW，冷負荷為13573kW。項目采用了水冷自然冷卻節能技術(shù)。為簡(jiǎn)化計算，以下對比中未考慮加濕部分對制冷性能的影響。

3.1 水冷自然冷卻技術(shù)對初投資和運行費用的影響項目所用的制冷系統設備配置如表1。

表1 項目所用的制冷系統設備配置表

采用水冷自然冷卻技術(shù)的項目需要多投資的設備是板式換熱器，此項目板式換熱器及相關(guān)工程的初投資約100 萬(wàn)。

根據北京典型年逐時(shí)氣象參數統計數據，可知，北京市滿(mǎn)足各運行模式的小時(shí)數如表2：

表2 北京市滿(mǎn)足各運行模式的小時(shí)數

假定數據中心達到滿(mǎn)負荷，如未采用水冷自然冷卻技術(shù)，則制冷系統全年耗電量為8760×（2193+396+330+270+769.5）=3467.65 萬(wàn)度， 按北京市一般工商業(yè)峰谷分時(shí)電價(jià)計算的全年平均電價(jià)0.9141元/度計算，全年電費3169.78萬(wàn)元。

采用水冷自然冷卻技術(shù)后，假定部分自然冷卻時(shí)冷機處于80%負載率下運行，冷水機組此時(shí)耗電功率為551.4kW，則制冷系統全年耗電量為4078×（2193+396+330+270+769.5）+1260×（551.4+396+330+270+769.5）+3422×（396+330+270+769.5）=2510.36萬(wàn)度，全年電費為2294.72萬(wàn)元。耗電量比未采用自然冷卻時(shí)減少27.6%，節省電費875.06萬(wàn)元。

在完全自然冷卻階段，每天可節省4.6 萬(wàn)元電費，冬天一個(gè)月就能收回自然冷卻部分增加的投資。

3.2 水冷自然冷卻技術(shù)對系統能效的影響

PUE（Power Usage  Effectiveness）是評價(jià)數據中心能源效率的指標，是數據中心消耗的所有能源與IT 負載使用的能源之比。PUE= 數據中心總能耗/IT設備能耗，PUE 是一個(gè)比值，一般處于1~2 之間，越接近1 表明能效越低。

如未采用自然冷卻節能技術(shù)，項目的PUE=[IT設備功率×（1+UPS 損耗+ 其他損耗）+ 冷水機組功耗+ 冷卻塔、水泵、精密空調的功耗]×（1+變壓器損耗+ 低壓配電損耗）/IT 設備的功率=[10506×（1+6%+3%）+2193+396+330+270+769.5]×（1+1%+1%）/10506=1.496。

采用自然冷卻節能技術(shù)，項目的PUE=[IT 設備功率×（1 +UPS 損耗+ 其他損耗）+ 冷水機組功耗+ 冷卻塔、水泵、精密空調的功耗]×（1+變壓器損耗+ 低壓配電損耗）/IT設備的功率=[10506×（1+6%+3%）+2193×4078/8760+1654.2×1260/8760+1765.5]×（1+1%+1%）/10506=1.405。

由以上計算可知，采用自然冷卻節能技術(shù)比未采用自然冷卻節能技術(shù)的PUE 降低0.091。

3.3 數據中心空調節能方式的選擇

通過(guò)以上兩個(gè)方面比較可以看出，采用水冷自然冷卻技術(shù)的數據中心不論是運行費用還是運行能效都具有顯著(zhù)節能效果。在北京地區不到一個(gè)冬季就可收回自然冷卻部分增加的投資。如果配合其他節能技術(shù)，更符合數據中心節能環(huán)保的趨勢。